井下工具高壓油浸試驗系統

呼延輝

（中石油長慶油田分公司物資供應處，陜西西安 710018）

0 引言

在油田開發后期，隨著多種鉆井采油工藝的實施，井下工具起到了非常重要的作用，井下工具的工作性質，工作質量，結構優劣將直接關系到工藝措施的成敗，油井后期的開發。長期以來，國內各大油田鉆采工藝研究院投入了大量的人力、物力，不少工藝技術取得了突破，但對于復雜的地質以及井下工況，仍有很多不足。受試驗設施的限制，一些創新無法獲得直接有效的試驗支持，直接井上試驗風險成本太大。為此，研究井下工具測試系統，根據現場情況設置的多種規格井筒，可模擬高壓、高溫、油浸、水浸等井下工況，用以彌補當前試驗系統的不足[1-2]。

井下工具封隔器高溫高壓油浸試驗系統包括3口高溫高壓油浸試驗井、拉拔解封試驗機、電加熱系統、靜壓試驗系統和測控系統。

1 高溫高壓油浸試驗井

高溫高壓油浸試驗井的作用是為封隔器高溫高壓油浸試驗提供全尺寸模擬井筒試驗條件，以便進行封隔器及膠筒和其他井下工具的高溫高壓油浸試驗。

試驗井安裝在封隔器油浸試驗間內（試驗間長12 m、寬10 m），試驗間內部建立深4 m、長6 m、寬2 m的沉井地槽，沉井地槽內部布置3口高溫高壓油浸試驗井，試驗井井口通過井口座懸掛在沉井鋼平臺上，試驗井筒下部的扶正座通過螺栓固定在井地平面上。試驗井筒規格分別為7英寸、5.5英寸和4.5英寸，試驗井筒有效長度3 m，最高試驗溫度200℃，最高壓力120 MPa。

試驗井筒材料：4.5英寸試驗井套管材料P110，壁厚6.35 mm；7英寸試驗井套管材料P110，壁厚10.36 mm。4.5英寸和7英寸試驗井的最高試驗壓力70 MPa，井筒與懸掛法蘭和井底堵頭采用套管氣密扣TPCQ連接。

5.5 英寸油浸試驗井采用合金材料（PCrNi3MoVA)整體加工成型，最高試驗壓力98 MPa。

4.5 英寸、7英寸試驗井包括：井口四通、試驗井筒、井筒支撐座、井底扶正座、井口堵頭、井筒加熱元件和保溫層等。5.5英寸試驗井包括：整體高壓試驗井筒、井筒支撐座、井底扶正座、井口密封堵頭、井筒加熱元件和保溫層等。

試驗井筒與井口四通采用API鋼圈密封，井口堵頭密封采用耐高溫專用密封。井口堵頭中心、井筒上部、下段井筒堵頭均開打壓孔連接打壓管線，可以進行井筒內封隔器上、下壓試驗，井口堵頭通過連接油管提供封隔器的坐封壓力。

同時在試驗井筒的上、下段開溫度測量口，安裝耐高壓溫度傳感器，測量試驗介質的溫度，試驗介質為0#或10#煤油(也可是清水)。試驗井筒外部包裹分段電加熱元件，對井筒內的試驗介質加熱，電加元件外部加裝保溫層和絕緣外罩，防止試驗時熱量的散失。電加元件分段通過密封插件連接，再通過電纜接入電加熱系統的控制柜。

2 拉拔解封試驗機

拉拔解封試驗機的作用是一旦封隔器或工具試驗完畢，試驗壓力卸去后，封隔器難以解封、卡瓦類工具難以縮回取出試驗井筒，需要利用拉拔解封試驗機上拉或下壓，解封或解卡。

拉拔解封試驗機安裝在油浸試驗間，在試驗井沉井地槽兩邊鋪設軌道，軌道為鋼軌QU70，解封試驗機在軌道上利用液壓馬達驅動行走輪行走，工作時移動到不同試驗井位置，利用兩邊的地錨定位試驗機的拉拔液缸中心對準試驗井口中心。解封或解卡時，試驗機底座下部的夾緊液缸夾持試驗井口，利用連接桿連接井內試驗管柱和拉拔液缸的活塞桿，試驗機拉拔液缸拉拔（或下壓）、解封或解卡井下試驗工具。拉拔液缸的有效行程300 mm，拉力 35 t，下壓力 50 t。

拉拔解封試驗機由行走底座、拉拔門架、拉拔液缸和液壓系統組成。行走底座長3 m、寬2.8 m、高0.45 m，下部安裝4個行走輪，2個主動輪利用液壓馬達驅動，行走底座兩邊耳板通過錐銷與地錨連接。拉拔門架安裝在行走底座平臺上，拉拔門架上端固定著拉拔液缸，中間套裝著拉拔橫梁，拉拔液缸的活塞桿與拉拔橫梁連接，拉拔液缸推動橫梁上下運動，橫梁通過兩邊的門架導向柱導向。試驗機底座平臺后部安裝有一套液壓系統，為拉拔解封試驗機上的拉拔液缸和行走液馬達提供動力。液壓系統中包括液壓站、操作閥臺。操作臺有手動操作閥和泵站電機啟動開關。

動力電纜接入液壓站油泵電機，電纜隨試驗機的行走而伸縮，為保證電纜的正常行走伸縮，地面安裝1套自動收線器。

3 電加熱（或油加熱）系統

電加熱系統的作用是利用可控硅控制加熱功率。電加熱系統包括電控柜、測量溫度傳感器、電纜動力線、測量信號線和布線電纜盒等。

動力電纜線接入井筒上安裝的加熱元件，測量信號線接入井筒上安裝的溫度傳感器。加熱時測量試驗井筒的試驗介質溫度的傳感器信號傳入電控柜中的溫度調節器，溫度調節器根據測控系統要求的試驗溫度閉環PID（Proportion Integration Dif原ferentiation，比例積分微分）調節電加熱的功率，溫度調節器輸出（4～20）mA控制信號通過觸發板控制可控硅導通角的大小，從而控制主回路加熱元件電流大小，達到控制加熱功率，使井筒內的試驗介質保持在設定的溫度工作狀態，使其滿足試驗驗要求的溫度。加熱控制柜的功率80 kW。溫度調節器的輸出溫度信號傳入測控系統PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器），采集處理后送入控制計算機，顯示、存儲、輸出，方便出具試驗報告[1,3]。

電控柜中的可控硅溫度控制器包含主回路及控制回路。主回路由可控硅，過電流熔斷器、過電壓保護、試驗井筒加熱元件等組成。控制回路由直流工作電源、直流信號電源、同步信號環節、電流反饋環節、溫度檢測器、觸發脈沖產生器和PID溫度調節器等部分組成。

4 靜壓打壓系統

以壓縮空氣為動力源，采用氣動液體增壓泵，向油浸試驗井中心管、封隔器井筒上段和封隔器井筒下段打壓，滿足試驗工具（封隔器）的壓力試驗要求。驅動氣源壓力與輸出液壓成正比，通過對驅動氣源壓力的調節，來保證試驗輸出壓力，當氣壓與液壓平衡時，氣動增壓泵停止動作，輸出壓力保持在所需試驗壓力上。假如試驗過程中系統泄露導致壓力下降，氣動液體增壓泵自動啟動，進行壓力補償，達到并維持試驗壓力。通過控制氣源的進氣量，可以調節液壓泵的工作頻率以控制輸出流量[4]。

靜壓試驗系統技術參數：介質包括柴油、10#煤油、清水，最高輸出壓力120 MPa，最大輸出流量2 L/min。

靜壓試驗系統由低壓氣源、氣動高壓泵、控制閥箱、氣路管線和液路管線組成。

低壓氣源包括空壓機（壽力或英格索蘭）、冷凍式干燥器、三級過濾器和儲氣罐。氣動高壓泵采用雙泵增壓，2臺氣動高壓泵（Haskel），預壓泵壓力14 MPa，高壓泵最高壓力120 MPa。控制閥箱包括氣動閥、電磁閥和手動閥。所有閥件均采用進口件。二位四通電磁閥用于控制氣動閥，氣動閥和手動閥規格均為3/8英寸，耐壓20 000 PSI。氣路管線接入控制閥和控制泵，液路管線由控制閥箱接入試驗井筒。規格均為3/8英寸，耐壓20 000 PSI，采用不銹鋼專用管。

5 測控及數據分析系統

測控系統的作用是控制試驗設備的啟停，準確控制試驗溫度、試驗壓力，采集、測量、處理、顯示和存儲試驗參數，以便滿足試驗要求。測控系統包括電控柜、操作臺、測量傳感器、采集處理單元（PLC）、控制計算機和測控軟件。電控柜的配電元件遵循電器行業標準，操作臺集中控制試驗設備啟停、內部布置采集處理單元（PLC）和控制計算機。

測量溫度壓力傳感器采用美國森納士品牌，采集處理單元（PLC）采用西門子元件，控制計算機采用Dell商用計算機。采用可編程控制器自帶軟件和VB語言編制專用控制程序滿足試驗的測量控制要求。

控制程序特點：①界面人機對話，運行可靠；②采用PID控制，控制輸出精度高；③采集數據存入數據庫，供查詢、打印（可以按要求的報告格式輸出）；④存儲數據可以通訊傳輸到其他測控系統。

6 結束語

井下工具封隔器試驗系統目前承擔長慶油田針對新型鉆采工藝的試驗，以及特殊井下工具的檢驗測試工作。可完成4.5英寸，5.5英寸，7英寸封隔器，試驗拉拔有效行程0.3 m，拉力35 t，下壓力50 t，最大試驗壓力120 MPa，最高試驗溫度200℃條件下的高溫、高壓油浸性能評定分析。